切頂卸壓自動成巷無煤柱開采支護工藝優(yōu)化

張 鴻

（晉能控股煤業(yè)集團晉城煤炭事業(yè)部）

隨著淺層煤炭資源日漸枯竭，越來越多的煤礦開始向著深部開采，由于深部開采時的礦壓波動和應(yīng)力波動較大，需要留設(shè)煤柱進行加強，防止出現(xiàn)垮塌事故，但采用留設(shè)煤柱的方案資源浪費較為嚴(yán)重，為了解決該問題，陳上元等［1］提出了“切頂懸臂梁”及切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術(shù)，取得了較好的應(yīng)用效果，但在應(yīng)用中也存在著綜采效率低的不足。張農(nóng)等［2］通過對巖層物理性質(zhì)的分析，指出了巖層受力和頂板變形之間的關(guān)系，為優(yōu)化支護結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。遲寶鎖等［3］對復(fù)雜地形條件下巷道變形嚴(yán)重的問題，提出了采用恒阻大錨索作為巷道頂板支護核心的觀點，為國內(nèi)復(fù)雜地形條件下的自動成巷無煤柱開采工藝提供了理論依據(jù)。

在對煤礦井下地質(zhì)情況及原有無煤柱開采支護現(xiàn)狀進行分析的基礎(chǔ)上，確定了采用恒阻錨索支護+切頂卸壓的支護作業(yè)方案，重點對該工藝方案的應(yīng)用要點進行了研究。通過恒阻大錨索加強、雙向聚能爆破預(yù)裂、井下巷道支護優(yōu)化等，在提高巷道支護穩(wěn)定性的情況下提高巷道支護效率，滿足井下支護安全性的需求［4-5］。

1 巷道原支護模式分析

晉能控股煤業(yè)集團晉圣公司億欣煤業(yè)XV1306綜采面處于15#煤的一盤區(qū)，該綜采面的標(biāo)高為964 m，井下煤層的厚度為2.0～2.6 m，平均厚度為2.3 m，中部含夾矸厚0.3 m，綜采面的傾角為3°～8°，煤層的平均傾斜角度為2.9°，巷道的基本頂為K2灰?guī)r，直接賦存在煤層上方，厚8.9～16.36 m。在頂板下位上方8.9 m處有厚度為1.7 m的砂質(zhì)泥巖和0.4 m的煤線。直接底為泥巖，厚1.8 m。以長壁式綜采方案為主，機械化綜采率較高，該井下綜采面在綜采過程中利用全部垮落法來對頂板進行管控，其采用110工法自動成巷技術(shù)，設(shè)計在XV1213切頂留巷461 m。綜采面上的揭露煤層的厚度是2.0～2.6 m，均厚2.3 m，煤層為中等偏厚煤層，在綜采面范圍內(nèi)的煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，在煤層內(nèi)含有2層夾矸層，而且所存在的夾矸層主要是細(xì)砂巖。

井下巷道的斷面尺寸為2 600 mm×5 200 mm，目前支護時采用的鋼錨桿索+鋼筋梯的綜合支護結(jié)構(gòu)，巷道的頂錨桿主要采用了直徑為20 mm的高強度錨桿、直徑為15.24 mm錨索，所使用得鋼板的規(guī)格為300 mm×300 mm，整體支護結(jié)構(gòu)相對簡單，但巷道穩(wěn)定性較低，極易發(fā)生變形，根據(jù)實際監(jiān)測巷道兩側(cè)圍巖的最大變形量達到了517 mm，難以滿足井下綜采作業(yè)效率和安全性的需求。因此本研究提出了新的以聚能爆破切頂卸壓為核心的無煤柱開采方案，并通過采用恒阻大錨索和巷道永久支護相配合的方案，滿足無煤柱開采安全性需求，提高井下綜采作業(yè)安全性。井下巷道原有支護結(jié)構(gòu)如圖1所示。

對頂板的預(yù)裂切縫，采用了雙向聚能爆破預(yù)裂技術(shù)，該技術(shù)的核心是將爆破藥設(shè)置在具有聚能效應(yīng)的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)在爆破時，爆破藥能在設(shè)定的方向上形成一個集中的沖擊效果，使巖層按照預(yù)設(shè)的方向撕裂成型，在保證預(yù)裂切縫效果的情況下，提升爆破的穩(wěn)定性。

預(yù)裂切縫深度Hf計算式為

式中，Hm為工作面采高，m；ΔH1為頂板下沉量，m；ΔH2為底鼓量，m；K為碎脹系數(shù)。

晉城藍(lán)焰煤業(yè)股份有限公司巷道內(nèi)直接頂為硬度較大的K2灰?guī)r，本設(shè)計中K暫按1.2取值。通過地質(zhì)勘探，煤層的厚度分布較為穩(wěn)定，因此在不考慮底鼓的情況下，工作面采高按2.6 m計算。計算得預(yù)裂切縫深度Hf=7.23 m。

由于井下巷道的直接頂K2灰?guī)r厚度達到9 m，根據(jù)井下實際的施工經(jīng)驗，切斷關(guān)鍵層K2灰?guī)r后巷道的垮落才能更充分，留巷效果更好，故確定切縫深度需要大于9 m，經(jīng)過多次對不同深度切縫垮落效果的分析，最終選擇井下預(yù)裂切縫的深度為10 m。

為了達到最佳的預(yù)裂效果，根據(jù)井下實際驗證，切縫孔布置與頂板夾角選取10°～20°，切縫孔之間的距離分別設(shè)置為0.4，0.5，0.6 m，為了提升爆破預(yù)裂效果，當(dāng)切縫的距離為0.6 m時，需要在2個切縫之間設(shè)置1個深度不小于3 m的淺孔，通過對比，確定最佳的切縫孔間距。

在采用爆破法確定井下爆破參數(shù)時，分別對400，500，600 mm切縫間距情況下進行單孔爆破試驗，確定單孔內(nèi)的最佳裝藥量和封泥的距離，當(dāng)確定完成后再進行間隔孔爆破試驗，對相鄰爆破孔內(nèi)的爆破情況進行測定，直到確定最佳的一次爆破孔數(shù)量和起爆方式。

最終確定采用雙向聚能管為特殊加工結(jié)構(gòu)，管裝置的直徑設(shè)置為41.5 mm，內(nèi)部的尺寸設(shè)置為36.5 mm，管裝置的深度為1.5 m。爆破時選用的炸藥為高爆藥芯，爆破藥的藥芯直徑為35 mm，爆破藥長度為200 mm，每個爆破孔內(nèi)的爆破藥設(shè)置為3.6 kg，爆破孔口利用炮泥進行封孔，封孔長度為1.5 m，最佳切縫距離為600 mm。在進行切縫孔選擇時，由于直接頂為硬度較大的K2灰?guī)r，在設(shè)置切縫孔時過大的鉆進角度會導(dǎo)致鉆進效率低而且容易導(dǎo)致巖層破裂，因此切縫孔的鉆進角度選擇10°，保證了鉆進效率和穩(wěn)定性的統(tǒng)一。

2 恒阻大變形錨索支護方案

為了保證在井下巷道施工期間的穩(wěn)定性，在對XV1213巷道頂板進行預(yù)裂切頂前，采用恒阻大變形錨索補強加固，具有施工工藝簡單、防變形效果好的優(yōu)點。由于K3灰?guī)r距離工作面頂板11 m，恒阻錨索應(yīng)超出切縫孔且錨固在穩(wěn)定巖層中不低于1 m，考慮到切縫參數(shù)，恒阻大變形錨索的長度定為12.3 m。

第一列錨索和留巷邊緣的距離設(shè)置為600 mm，所設(shè)置錨索排與排之間的距離為1 000 mm。第二列錨索和第一列錨索之間的距離為1 000 mm，其排與排的距離設(shè)置為200 mm，變形錨索要和巷道頂板呈垂直布置，托盤選用290 mm×290 mm×20 mm的平托盤，中間加工直徑為100 mm的圓孔。

第三列錨索和第二列錨索之間的距離可以設(shè)置為1 700 mm，錨索排與排之間的距離設(shè)置為2 000 mm，錨索和巷道頂板呈75°角設(shè)置。第一列處設(shè)置W鋼帶進行連接，鋼帶的布置方向要和巷道的走向一致，W鋼帶選用2 600 mm×300 mm×5 mm的鋼板制作。恒阻器規(guī)格選用φ72 mm×500 mm，其工作時的恒阻值需要根據(jù)井下巷道的支護情況設(shè)置，一般設(shè)置為33±2 t，工作時的預(yù)緊力不得低于27 t，恒阻錨索支護圖如圖2所示。

3 井下永久支護工藝優(yōu)化

由于巷道在綜采面的架后影響范圍內(nèi)，當(dāng)該區(qū)域內(nèi)的圍巖垮落后將對頂板產(chǎn)生明顯的沖擊和摩擦，而且由于巷道頂板垮落后比較松散，因此受采動的影響較大，頂板處會產(chǎn)生較大的壓力。為了提高支護的安全性，在架后0～200 m采用單體柱+π型梁“1梁4柱”以及單體液壓支柱+U型鋼可縮支架進行擋矸支護的方案。在巷道中間部位布置“1梁4柱”，其布置尺寸可設(shè)置為1 m×1 m，同時在巷道的切縫位置設(shè)置1排單體支柱，和井下的U型支護鋼筋采用交替布置的方式。U型鋼內(nèi)掛鋼筋網(wǎng)和菱形網(wǎng)防止矸石竄入巷道，井下巷道支護結(jié)構(gòu)如圖3所示。

跨落成巷幫在頂板隨著綜采作業(yè)的進行不斷地被壓實，抵抗采動影響的能量不斷加強，此時巷道頂板的下沉量以及支柱的支護壓力的變化都趨于穩(wěn)定，就可以將“1梁4柱”支護變?yōu)椤?梁3柱”支護結(jié)構(gòu)，根據(jù)礦壓觀測的數(shù)據(jù)分析，再變?yōu)椤?梁2柱”，直到巷道內(nèi)的單體支柱逐步全面撤出，只保留鋼筋網(wǎng)進行擋矸，該支護模式具有結(jié)構(gòu)簡單，支護可靠性好的優(yōu)點，能夠在保證支護強度的前提下有效地提升支護效率。

4 應(yīng)用效果分析

對巷道及工作面的變形情況進行監(jiān)測，從距留巷開端地方200 m范圍內(nèi)每20 m設(shè)置1個測站，隨后每隔50 m布置1個測站，每個測站由1套頂板離層監(jiān)測儀、1套恒阻錨索受力監(jiān)測儀及一套單體支柱受力監(jiān)測系統(tǒng)組成，巷道兩幫移近量監(jiān)測設(shè)施、側(cè)壓監(jiān)測設(shè)備根據(jù)實際狀況進行布置。

將監(jiān)測設(shè)備布置完成后，定期對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，從而確定在巷道綜采作業(yè)期間的變形量，巷道頂板的變化曲線如圖4所示。

由監(jiān)測結(jié)果可知，優(yōu)化后巷道頂板下沉量由最初的694 mm降低到了目前的197.6 mm，變形量降低了71.5%，顯著地提升了井下巷道圍巖的穩(wěn)定性。在進行仿真分析時，巷道頂板的變形量約為800 mm，優(yōu)化后的巷道頂板下沉量約為249 mm，優(yōu)化后的變形量比優(yōu)化前降低了68.9%。實際測量結(jié)果和仿真分析結(jié)果的偏差僅12.2%，表明了仿真分析結(jié)果的有效性，對后續(xù)優(yōu)化巷道支護結(jié)構(gòu)，為合理支護提供了支撐和根據(jù)。

同時由于優(yōu)化了井下綜采工藝，簡化了支護結(jié)構(gòu)，因此實際綜采作業(yè)效率由最初的4.6 m/d提升到了目前的5.22 m/d，井下綜采作業(yè)效率提升了13.5%，有效提升了井下綜采作業(yè)的效率和安全性。

5 結(jié)論

（1）井下預(yù)裂切縫深度設(shè)置為10 m，預(yù)裂切縫距離設(shè)置為600 mm，爆破孔內(nèi)的爆破藥設(shè)置為3.6 kg/孔，炮泥封孔長度為1.5 m，能夠達到最佳的預(yù)裂切縫效果。

（2）恒阻大變形錨索補強加固，具有施工工藝簡單、防變形效果好的優(yōu)點。采用單體柱+π型梁“1梁4柱”以及單體液壓支柱+U型鋼可縮支架進行擋矸支護方案具有支護效率高、安全性好的優(yōu)點。能夠?qū)⒕孪锏绹鷰r變形量降低71.5%，將井下綜采效率提升13.5%，極大地提升了井下巷道圍巖的穩(wěn)定性和綜采效率。

（3）采用仿真分析的方法，巷道變形量的理論分析結(jié)果和實際分析結(jié)果偏差僅12.2%，能夠有效指導(dǎo)巷道支護。